Электротехнические материалы (стр. 11 )

Наиболее дешевый материала диэлектрических оснований— гетинакс — обладает высокими диэлектрическими свойствами, находит широкое применение в бытовой радиоаппаратуре. Гетинакс получается путем горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом. Выпускается гетинакс на основе ацетилированной бумаги, обладающей повышенной влагостойкостью и способной заменить стеклотекстолиты. Его недостатком традиционно считается повышенное влагопоглощение (1,5 ... 2,5%) через слои бумаги или из открытых их торцевых срезов, а также сквозь полимерное связующее.

Листовой гетинакс применяется в виде щитов, панелей, изоляционных перегородок в устройствах низкого напряжения. Существует специальная марка гетинакса, предназначенная для работы в маслозаполненной аппаратуре высокого напряжения. Электрическая прочность гетинакса составляет примерно 20-40 кВ/мм. Слоистая структура гетинакса приводит к заметной анизотропии свойств материала. Электрическая прочность вдоль слоев наполнителя в 5-8 раз ниже, чем вдоль слоев.

Наименование слоистого пластика	Наполнитель	Связующее
Гетинакс	Пропиточная бумага толщиной 0,1 мм	Фенолформальдегидная смола (ФФС)
Текстолит	Хлопчатобумажная и синтетическая ткани (саржа, бязь, шифон, бельтинг, лавсан)	ФФС
Стеклотекстолит	Стеклоткани из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла	Совмещенная, эпоксидная и ФФС - Совмещенная эпоксикремнийорганическая смола

Текстолит обладает более высокой прочностью при сжатии и ударной вязкостью и поэтому используется также в качестве конструкционного материала, и его выпускают не только в виде листов, но и плит толщиной до 50 мм.

Стеклотекстолиты благодаря ценным свойствам наполнителя обладают наиболее высокой механической прочностью, теплостойкостью и минимальным влагопоглощением. Они имеют лучшую стабильность размеров, а электрические свойства остаются высокими и во влажной среде. Вследствие необычной твердости поверхности стеклотекстолиты износоустойчивы.

Выпускается несколько десятков марок стеклотекстолитов, предназначенных для разных целей, в том числе повышенной нагревостойкости, тропикостойкости, гальваностойкости, огнестойкости, с металлической сеткой. Обычные марки фольгированного стеклотекстолита облицованы медной фольгой толщиной 35 ... 50 мкм, для полуаддитивной технологии выпускается теплостойкая модификация с фольгой толщиной 5 мкм. Для той же технологии можно применять листовой нефольгированный стеклотекстолит с адгезионным слоем, обладающим неограниченной жизнестойкостью.

Для изготовления ПП по аддитивной технологии требуются диэлектрики с металлическими включениями, образующими центры кристаллизации при химическом меднении. Для этой цели выпускается слоистый пластик—диэлектрик, содержащий мелкодисперсные частицы металлов—Ag или V.

Качество печатных плат характеризуется следующими свойствами.

1.  Прочность является одним из основных свойств, поскольку печатные платы выполняют роль не только диэлектрического основания, но и несущей конструкции. Часто требуется вибропрочность, которой, особенно при больших размерах плат, стеклотекстолит не обладает. Следует иметь в виду, что удельная прочность при толщине, большей, чем 1,5 мм, начинает снижаться, так как затрудняется удаление летучих веществ при отверждении и сказывается градиент температуры, который, как и в случае стекла, проявляется в виде микротрещин на поверхности. Это служит еще одним примером размерного эффекта прочности.

2.  Нагревостойкость фольгированных слоистых пластиков определяется по отсутствию вздутий, расслаивания и отклеивания фольги, возникающих при пайке. Критерием является время, в секундах, в течение которого разрушения не наблюдаются при нагреве до 533 К (260 °С). Минимальная нагревостойкость — 5 с, у лучших марок—20 с.

3.  Стабильность размеров — изменение длины при смене температур в процессе пайки, когда вся плата перегревается примерно до 393 К (120°С); ТКЛР стеклотекстолита при толщине 1,5 мм составляет 8-10-6 К-1, т. е. отличается от ТКЛР меди более чем в 2 раза, поэтому при больших размерах плат возможен обрыв или отслоение фольги. Кроме того, при Т~370 К в эпоксидных смолах наблюдается фазовый переход, выше которого резко возрастает ТКЛР в направлении толщины слоистого пластика, приводящий к обрыву металлизации отверстий. Нестабильность размеров проявляется также в виде неплоскостности — прогиба, коробления, скручивания, которые возникают вследствие механических напряжений.

4.  Электрическая прочность стеклотекстолита анизотропна: в продольном направлении она в несколько раз выше, чем в направлении толщины. Причина этому — анизотропия самого материала и наличие микротрещин, уменьшающих эффективную толщину, но не длину и ширину. С увеличением толщины электри­ческая прочность падает. Так, для плат толщиной 0.5 и 10 мм значение электрической прочности соответственно 30 и 10 кВ/мм.

Недостатки фольгированных стеклотекстолитов являются следствием их неоднородной структуры и особенностей используемых материалов. Это—коробление, нестабильность размеров, растрескивание, отслаивание, воспламеняемость. Наконец, стеклотекстолит из-за высокого tg δ непригоден для СВЧ-техники.

8.4. Лакоткани

Лакотканью называется гибкий электроизоляционный материал, представляющий собой ткань, пропитанную электроизоляционным лаком. Ткань обеспечивает значительную механическую прочность, а лаковая пленка – электрическую прочность материала. Лакоткань применяется для изоляции в электрических машинах, аппаратах, кабельных изделиях. В качестве основы чаще всего применяют хлопчатобумажные, реже шелковые ткани. Шелковые лакоткани дороже, но тоньше и имеют более высокую электрическую прочность. Лакоткани относятся к изоляции класса А. В последнее время широко применяются и искусственные ткани.

По роду пропитывающего лака лакоткани подразделяются на светлые(желтые) на масляных лаках и черные – на масляно-битумных лаках. Светлые лакоткани относительно стойки к действию органических растворителей, обладают высокой склонностью к тепловому старению. Их электрическая прочность составляет от 35-50 кВ/мм (хб) до 55-90 кВ/мм (шелк). Черные лакоткани обладают лучшими электроизоляционными свойствами, их электрическая прочность составляет 55-60 кВ/мм. Гигроскопичность черных лакотканей значительно ниже, чем светлых.

К лакотканям следует также отнести электроизоляционные трубки, применяемые для для изоляции и защиты выводных концов в электрических машинах и аппаратах.

ПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ.

В зависимости от плотности тока в проводах потери могут сильно различаться. Ясно, что при пропускании определенной мощности по линии электропередач, например для трехфазной линии Р = 3UaI, чем больше напряжение сети, тем больше мощность при том же значении тока. Поскольку потери определяются током, а передаваемая мощность произведением тока на напряжение, то выгоднее переходить на более высокие классы напряжения. Поэтому переходят на все более высокие напряжения, чтобы относительно меньшая доля энергии терялась в проводах. Однако, как будет рассказано в лекции по диэлектрическим характеристикам воздуха, невозможно бесконечно повышать напряжение.

Ясно также, что чем больше ток, тем больше мощность, причем зависимость линейная. Однако с ростом тока потери энергии растут квадратично, т. е. гораздо сильнее, чем рост передаваемой мощности. Увеличение площади сечения провода ослабляет проблему, но, с другой стороны, происходит увеличение стоимости строительства линии электропередач, т. к. стоимость цветного металла проводов значительна. Кроме того, увеличение веса проводов влечет увеличение массы опор, усложнение монтажа и т. п. В результате компромисса между увеличением потерь и увеличением стоимости строительства договорились рассчитывать провода линии на определенную компромиссную плотность тока, т. н. экономическую плотность тока. Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), для меди она составляет 2,5 А/мм2 в случае открытых проводов при эксплуатации 1000-3000 часов в год, и снижается до 1.8 А/мм2 при эксплуатации свыше 5000 часов в год. Для алюминия все цифры примерно в два раза ниже. Для кабелей все определяется условиями теплоотвода через изоляцию и оболочку кабелей, в ПУЭ допустимая плотность тока нормируется для каждого вида кабелей отдельно, как правило, допустимая плотность тока еще ниже.

Материалы для проводов. Медь, алюминий.

Основной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Естественно, чем оно ниже, тем лучшим проводником является тот или иной материал. Из проводниковых материалов с высокой тепло - и электро - проводностью самым замечательным материалом для проводов было бы серебро. Его удельное сопротивление при комнатной температуре составляет примерно 1.4×10-8 Ом×м, теплопроводность 418 Вт/(м×К). Однако этот материал слишком дорог и редок, поэтому серебро используют только для ответственных контактов, т. к. оно не только идеальный проводник, но и не окисляется в процессе работы, значит, не ухудшаются свойства контакта со временем. Отметим, что другие, более привычные проводники, такие как медь или алюминий окисляются кислородом воздуха, превращаясь в непроводящие окислы, ухудшая или даже предотвращая омический контакт. Для проводов именно их и используют, потому что по электропроводности их можно поставить на 2-е и 3-е место после серебра.

Свойства меди.

Медь - мягкий материал красноватого оттенка.

Плотность при 20 °С 8.89 т/м3

Удельное сопротивление при 20 °С 1.7 10-8 Ом×м.

Температурный коэффициент сопротивления 4.3 10-3 1/К

Применение меди в энергетике достаточно широко - различные проводники, кабели, шнуры, шины, плавкие вставки, обмотки трансформаторов и катушек.

Свойства алюминия.

Алюминий - мягкий материал светло-серого цвета.

Плотность при 20 °С 2.7 т/м3

Удельное сопротивление при 20 °С 2.8 10-8 Ом×м

Температурный коэффициент сопротивления 4 10-3 1/К

Сопоставление этих материалов по наиболее важным для практики параметрам показывает, что они сильно отличаются по плотности, теплоемкости, прочности при растяжении. Любопытно, что произведение теплоемкости на плотность - мало отличается у этих материалов (~30%) Тот факт, что у алюминия мала механическая прочность вынуждает армировать алюминиевые провода стальными сердечниками. При этом ток протекает по алюминию (у стали удельное сопротивление примерно в 5-10 раз выше, чем у алюминия), а механическую прочность обеспечивает сталь.